Ni-Basis-Werkstoffe

Hochtemperaturwerkstoffe spielen im Turbinenbau eine Schlüsselrolle, da sie die maximal mögliche Verbrennungstemperatur (heute ca. 1500°C) und damit den thermischen Wirkungsgrad wesentlich mitbestimmen. Dies gilt gleichermaßen für Flugtriebwerke und Kraftwerksanlagen zur Stromerzeugung. In den heißesten Bereichen werden heute Ni-basis Werkstoffe eingesetzt, weil sie hinsichtlich Temperaturbeständigkeit und Festigkeit alle anderen derzeit verfügbaren Werkstoffe übertreffen. Der Forschungsschwerpunkt Hochtemperaturwerkstoffe beschäftigt sich mit dieser Werkstofffamilie. In industrienahen Projekten werden neue Legierungen entwickelt, neue Reparaturverfahren vorangetrieben und das mechanische Verhalten unter betriebsähnlicher Beanspruchung untersucht. Die derzeit durchgeführten Vorhaben sind im folgenden näher beschrieben.

Stationäre Gasturbine mit Schaufeln aus einer Nickel-Basis-Superlegierung

 

Höchstfeste Einkristalllegierungen für Turbinenschaufeln

Turbinenlaufschaufeln sind diejenigen Komponenten, die den höchsten Temperaturen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Jede Schaufel muß bei bis zu 1000°C Materialtemperatur Zentrifugalkräfte aushalten, die dem Gewicht eines Lastwagens entsprechen. Zur Bewältigung dieser extremen Beanspruchung werden einkristalline Schaufeln aus Ni-basis Superlegierungen eingesetzt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden neue Legierungszusammensetzungen entwickelt. Dadurch soll das Einsatzpotential auf über 1000°C gesteigert werden.

Einkristalline Turbinenschaufeln einer stationären Gasturbine

 

Neue Nickelbasis-Schmiedewerkstoffe für den Einsatz in Hochtemperaturdampfturbinen

Zielsetzung:

Will man einen Technologiesprung von Dampfturbinen zu Wirkungsgraden von ca. 55% realisieren, sind Dampftemperaturen von 700C-720C erforderlich. Dies erfordert aber auch die weitgehende Substitution von bisher verwendeten ferritischen Stählen für Bauteile wie die Turbinenwelle durch eine für Dampfturbinen völlig neue Werkstoffklasse, den Ni-Basis-Superlegierungen. Diese weisen aber für den Einsatz in Dampfturbinen z.T. unzureichende Eigenschaften wie Rißwiderstand, Langzeitstabilität usw. auf, weshalb eine Modifikation der bisher bekannten Nickelbasiswerkstoffe unbedingt nötig ist.

Forschungsvorhaben:

Ziel des Projektes ist es, grundlegende Zusammenhänge zwischen Werkstoffchemie und -gefüge und Kriechrißwiderstand in verschiedenen Nickelbasislegierungen zu erkennen, um so eine zielgerichtete Werkstoffentwicklung für Dampfturbinenanwendungen bei 700C-720C zu ermöglichen.

Es werden drei verschiedene Superlegierungsklassen (mischkristallverfestigt, gamma-strich und gamma-zwei-strich-verfestigt) hinsichtlich ihres Rißwiderstandes verglichen, um so einen möglichen Kanditatwerkstoff für den Einsatz in Hochtemperaturdampfturbinen zu identifizieren sowie Möglichkeiten zur Erhöhung des Rißwiderstandes abzuleiten. Die Arbeiten umfassen:

• Kriechrißexperimente an Inconel 706, Inconel 617 sowie WASPALOY bei 700C
• Modifikationen o.g. Legierungen zur Erhöhung des Rißwiderstandes
• FE-Rechnungen zur Spannungs-Dehnungsanalyse sowie bruchmechanischer Auswertung der Kriechrißexperimente

Verfahrensentwicklung zur Oberflächendiffusionsbehandlung von Nickelbasis-Superlegierungen mit Bor

Zielsetzung:

Entwicklungstendenzen zu höchsten Wirkungsgraden von Dampfturbinen zielen auf Dampftemperatur von 700C gegenüber heute maximal 580C ab. Dieser Technologiesprung erfordert den Austausch bisher verwendeter ferritischer 9-12% Cr-Stähle für Schmiedeteile ie zum Beispiel Turbinenwellen durch Superlegierungen auf Nickelbasis. Da Turbinenwellen sicherheitsrelevante Bauteile darstellen, werden sie gegen Wachstum des größten anzunehmenden Risses ausgelegt. Beachtet man die relativ langen Betriebsdauern bei Dampfturbinen und den vergleichsweise geringen Kriechrißwiderstand möglicher Kandidatwerkstoffe (z.B. IN 706, WASPALOY), so genügen diese Legierungen nicht den Anforderungen. Besonders beim Übergang von Vakuum zu Luft als umgebendes Medium stellt man eine Zunahme der Kriechrißgeschwindigkeit um z.T. mehrere Größenordnungen fest.

Eine wesentliche Verbesserung des Kriechrißwiderstandes an Luft bewirkt die Zugabe korngrenzensegregierender Elemente wie zum Beispiel Bor. Als nachteilig bei einer Dotierung mit Bor erweist sich jedoch die stark verschlechterte Gieß-, Schmied- und Schweißbarkeit des Werkstoffes. Aus diesem Grund ist der maximale Borgehalt in Schmiedelegierungen sehr niedrig gehalten.

Um die vorteilhafte Wirkung von Bor auch bei großen Schmiedeteilen wie z.B. Wellen nutzen zu können, wurde eine neue Methode entwickelt, die durch eine Diffusionsoberflächenbehandlung den besonders gefährdeten Randbereich von Schmiedeteilen (Kontakt zur Atmosphäre, hohe Spannungsintensitäten) mit Bor anreichert und somit den Kriechrißwiderstand verbessert.

Durch kritische Experimente kann gezeigt werden, daß diese Oberflächenbehandlung den Kriechrißwiderstand erhöht sowie den sog. SAGBO-Effekt drastisch verringert. Zukünftige Arbeitspunkte sind die Verfahrensoptimierung bei der Herstellung der Diffusionsschicht sowie eine umfassende Charakterisierung der Eigenschaften Schicht-Substrat.